【摘要】：Al-Cu-Li鋁合金是重要的輕量化材料之一。具有低密度、高的比強(qiáng)度和彈性模量、優(yōu)良的低溫韌性和疲勞性能以及良好的抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)和航空航天設(shè)備上。在鋁合金中每加入1wt.%的Li,合金的密度降低3%,彈性模量提高6%。加入少量的Cu、Mg、Ag等合金元素,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?在鋁基體中會(huì)形成大量的納米尺度的強(qiáng)化相。熱處理工藝不同,析出強(qiáng)化相的種類(lèi)、尺寸、數(shù)量會(huì)不同,從而導(dǎo)致合金的性能也出現(xiàn)差異。因此,從微觀結(jié)構(gòu)方面理解合金的性能變化是至關(guān)重要的。然而過(guò)去由于表征手段的限制,而且時(shí)效早期析出相的尺寸都在1nm左右,所以結(jié)構(gòu)表征難度很大。因此,關(guān)于Al-Cu-Li合金中主要強(qiáng)化相的結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律的問(wèn)題尚未完全解決。隨著材料表征技術(shù)的進(jìn)步,高分辨率的電子顯微鏡使得從原子尺度研究合金中析出相的演變規(guī)律變得可行,該問(wèn)題有望得到解決。本文針對(duì)Al-4.15Cu~(-1).15Li-0.29Mg(wt.%)鋁合金板材,采用新一代球差矯正透射電子顯微鏡(TEM),結(jié)合定量高分辨電子顯微學(xué)以及高角度環(huán)形暗場(chǎng)像(HAADF)等技術(shù),輔以第一性原理計(jì)算,系統(tǒng)地研究了合金中主要強(qiáng)化相T_1相的結(jié)構(gòu)及演變規(guī)律,并對(duì)該合金在單級(jí)時(shí)效以及引入自然時(shí)效的雙級(jí)時(shí)效過(guò)程中微觀組織、晶內(nèi)強(qiáng)化析出相的變化情況進(jìn)行了研究,加深了對(duì)工藝和性能之間關(guān)系的理解。論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)利用HAADF-STEM和傳統(tǒng)的高分辨電鏡結(jié)合電子衍射技術(shù),系統(tǒng)研究了合金在80℃~200℃單級(jí)時(shí)效熱處理過(guò)程中晶內(nèi)納米析出相的變化規(guī)律,并分析了時(shí)效溫度不同時(shí)納米析出相的種類(lèi)及其和顯微硬度之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)合金在80℃~135℃單級(jí)時(shí)效過(guò)程中,峰值時(shí)效狀態(tài)晶內(nèi)析出相主要是GP區(qū)以及δ′-(GP區(qū))-δ′共生相。GP區(qū)主要是單層的富Cu原子層結(jié)構(gòu),也有少量的兩層Cu原子或者兩層Cu原子中間一層Al原子或者兩層Al原子的結(jié)構(gòu),并且隨著時(shí)效溫度的升高這兩種析出相的直徑逐漸增加。145℃峰值時(shí)效狀態(tài)合金晶內(nèi)除了GP區(qū)以及δ′-(GP區(qū))-δ′共生相之外,還有少量的GP_(T1)區(qū)析出。165℃、180℃和200℃峰值時(shí)效的強(qiáng)化相是δ′-(θ′)-δ′共生相、σ相、GPB和T_1相,過(guò)時(shí)效狀態(tài)析出相粗化導(dǎo)致合金的硬度下降。(2)利用HAADF-STEM技術(shù)和第一性原理計(jì)算對(duì)合金在165℃單級(jí)時(shí)效狀態(tài)下T_1相的原子結(jié)構(gòu)以及演變規(guī)律進(jìn)行了研究。首次發(fā)現(xiàn)在時(shí)效過(guò)程中存在一種新的亞穩(wěn)相:T_1相的前驅(qū)體,命名為GP_(T1)區(qū)。采用先進(jìn)的原子成像技術(shù)(帶有Cs-corrected的球差矯正電鏡結(jié)合HAADF-STEM圖像模擬技術(shù))和定量電子顯微學(xué)測(cè)定了T_1相前驅(qū)相GP_(T1)區(qū)的原子結(jié)構(gòu)。GP_(T1)區(qū)與鋁基體完全共格,是兩層富Cu原子層取代鋁基體中的兩層Al原子層,形成慣習(xí)面為{111}Al的“三明治”結(jié)構(gòu)。其兩層富Cu原子層之間的距離為0.466nm,與T_1相兩層富Cu層之間的距離(0.495nm)略有不同。GP_(T1)區(qū)向T_1相轉(zhuǎn)變的過(guò)程分為三步。從GP_(T1)區(qū)向T_1相轉(zhuǎn)變過(guò)程中各個(gè)析出相的形成焓分別為-6.8k J/mol·atom~(-1)、~(-1)9.0k J/mol·atom~(-1)、-21.3k J/mol·atom~(-1)、-32.2k J/mol·atom~(-1),從能量角度證實(shí)GP_(T1)區(qū)可以轉(zhuǎn)變成T_1相。(3)首次觀察到T_1相的一種變體。該變體由沿著T_1相c軸方向兩個(gè)單胞厚度的T_1相組成,但這兩個(gè)T_1相并不是并排排列,而是錯(cuò)位112Al/6,并且這兩個(gè)T_1相之間的距離剛好等于一個(gè)(111)Al的面間距。T_1相變體可以獨(dú)立形核,也可以在T_1相與鋁基體界面處形核。采用第一性原理計(jì)算方法,計(jì)算得出T_1相變體的形成焓為-32.7k J/mol·atom~(-1),說(shuō)明該變體可以形成。(4)相有兩種粗化方式。一是在Li原子適量的區(qū)域,T_1相沿著它的c軸方向逐漸增厚。二是在Li原子過(guò)剩的區(qū)域,為了消耗多余的Li原子,T_1相通過(guò)其變體增厚。這兩種增厚機(jī)制均要經(jīng)過(guò)GP_(T1)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)_1相的過(guò)程。(5)采用HAADF-STEM技術(shù)和維氏硬度測(cè)試方法研究了自然時(shí)效對(duì)合金微觀組織和性能的影響。研究結(jié)果表明,自然時(shí)效7天對(duì)合金的再時(shí)效硬度產(chǎn)生負(fù)面影響,而自然時(shí)效60天產(chǎn)生正面影響,而且在180℃和200℃人工時(shí)效之前引入60天的自然時(shí)效能夠使到達(dá)峰值硬度的時(shí)間提前,并且峰值硬度保持的更久。自然時(shí)效60天的樣品再進(jìn)行180℃時(shí)效的析出過(guò)程為:GP I+δ′-(GP I)-δ′→GPB+σ+GP_(T1)+S→GPB+T_1+S→T_1+S。自然時(shí)效60天的樣品再進(jìn)行200℃時(shí)效的析出過(guò)程為:GPB+σ+GP_(T1)+S→σ+T_1+S→T_1+S。200℃時(shí)效后期,多余的Li原子會(huì)在S相與鋁基體的界面上發(fā)生偏聚,推測(cè)這會(huì)使S相比σ相更穩(wěn)定。雙級(jí)時(shí)效過(guò)程中主要強(qiáng)化相T_1相也是通過(guò)GP_(T1)區(qū)形核生長(zhǎng)的。
【圖文】：

每加入 1wt.%的 Li，合金的密度就會(huì)降低 3%，彈性模量可以提高 6%[夠使合金在后續(xù)時(shí)效過(guò)程中取得良好的硬化效果[2]。圖 1.1 所示為 A元相圖，從圖中可以看出在 600℃時(shí)元素 Li 在 Al 中的溶解度為 4.2w溫下 Li 在 Al 中的溶解度卻非常小，小于 1wt.%。

對(duì)Al-Mg-Li合金三元相圖 進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并且分析了 不同成分g-Li合金的性能，在此基礎(chǔ)上，以 и.H.ФUидллHдeU院士為首的材料科學(xué)965年成功地研制出01420合金(Al-5.2Mg-2.1Li-0.11Zr)，1967年對(duì)該合金規(guī)模生產(chǎn)。該合金密度低，屬于中等強(qiáng)度鋁合金，具有優(yōu)良的抗腐蝕性能性能，于1970年正式用在艦載機(jī)雅克-36上，同時(shí)由于該合金具有良好的可在安-124，蘇-27，米格-26等戰(zhàn)斗機(jī)上都得到了大量應(yīng)用[17]。后來(lái)，研究01420合金成分的基礎(chǔ)上添加0.17的微量合金元素Sc研制出01421合金，改金的可焊性、強(qiáng)度和熱循環(huán)載荷等性能[18]。此后, Al-Li合金的研究和應(yīng)用在國(guó)進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)停滯的時(shí)期。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TG146.21

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本文編號(hào)：2519301